(3) 高速カラー電子写真方式における省エネ定着技術（採用機種：KONICA MINOLTA bizhub C650/C550/C451 シリーズ）
清水洋介

コニカミノルタビジネステクノロジーズ株式会社
機器開発本部

機器第 2 開発センター

第 22 開発部

１．はじめに近年、地球温暖化の問題等から産業界においては環境負荷低減に対する取り組みが大きく注目されてい２

省エネルギー化へのアプローチ

機械の消費エネルギーを示す指標のひとつとしてる。中でもエネルギー総消費量はユーザーが製品を購TEC（TypicalElectricityConsumption）値がある。

入する際の大きな判断指標であり、機械全体の中でもこれは、国際エネルギースタープログラムにて制定さ特に重要な製品仕様のひとつとなっている。

れた、一週間を基準として標準的な使用状態を想定しこのような動向下において我々は消費電力量を飛躍た時に消費される総エネルギー量を示すものである。

的に低減することができる定着装置を開発し、bizhub

この中では、機械の標準的な使用状態として、ウォーC650/C550/C451 シリーズに搭載した。本報告ではこのムアップモード⇒コピーモード⇒スタンバイモード⇒

省エネルギー定着装置を開発するにあたり、消費電力ローパワーモード（またはオフモード）低減技術を中心に、これまで取り組んできた内容につ連のコピー動作が繰り返し行われることが規定されていて紹介する。

いる。

からなる一Fig.2 にその標準的な使用における電力消費状況を示す。従来機ではウォームアップモード、スタンバイモードおよびローパワーモードといったプリントモード以外の状態で定着装置の待機温度を維持するために多くの電力を消費していた。
：従来の定着装置： 昇温性能を向上した定着装置
ウォームアップ
プリント

消費
電力

スタンバイ
ローパワーモード

Fig.1 Color MFP bizhub C650
プリント速度
モノクロ
カラー
bizhub C650

65枚/分 50枚/分

bizhub C550

55枚/分 45枚/分

bizhub C451

45枚/分 45枚/分

消費電力削減ウォームアップタイム
（＊）

発売時期

30秒

2007年7月30秒（海外仕向）/60秒（国内仕向）30秒（海外仕向）/60秒（国内仕向）

時間Fig.2

Transition of electricity consumption

2007年2月
2007年5月

according to a regular operating mode; comparison
between a conventional MFP and a target＊ウォームアップタイムは副電源 ON 時の値

スタンバイモードやローパワーモードといった待機Table.1 The product specifications of bizhub
C650/C550/C451 series-1-

状態において消費電力を低減するには、定着装置の待機温度を低く設定することが最も効果的である。しかする 1 軸構成とした。本定着装置の特徴として大きくしながらそれだけでは、機械の復帰時間が長くなって3 つのポイントがあげられる。

しまい、ユーザーの使い勝手を低下させることになる。

1.

被加熱部材の低熱容量化

そこで定着装置の昇温性能を向上させ、ウォームアッ

2.

高断熱化による放熱抑制

プタイムを短縮することにより、『ユーザーの利便性3.

供給電力の最大化確保』と『省エネルギー性能向上』の両立を図った。
Fig.2 には定着装置の昇温性能を向上させ、同時に以降にその詳細を説明する。
３．２

被加熱部材の低熱容量化

待機温度を低く設定した場合に予測される消費電力推記録紙に熱を供給しトナーを溶融するために、定着移も併せて示した。このようにプリント状態以外でのユニット内の熱供給部材（記録紙に接触して熱を伝え消費電力を抑えることは、機械としての消費電力量をる部材）をあらかじめ加熱昇温しておく必要がある。

低減することに対して効果的であるといえる。

従来方式は、加熱源として熱供給部材に内蔵されたハロゲンランプを用い、熱伝導によって間接的に熱供給３定着装置の構成３．１部材に伝えていたため、熱供給部材以外にハロゲンラ要求性能および定着装置構成ンプ自身や周辺部材の熱容量が加わり、昇温性能を高bizhub C650/C550/C451 シリーズの定着に対する主な要求性能は下記の通りである。

めることが困難であった。そこで加熱源を IH コイルとし、熱供給部材である定着ベルト中に設けられた被加•ショートウォームアップタイム

熱部材を直接電磁誘導加熱する方式を選定した。さら•高速化対応に被加熱部材を薄肉金属ベルトとすることで低熱容量•高寿命化を図り、定着システムとして弊社従来機（bizhub C450:

この要求性能を満たすために今回我々が開発した定着装置の構成図を Fig.3 に示す。

モノクロ 45 枚/分、カラー35 枚/分）の 1/3 以下の熱容量を実現した。
３．３

高断熱化による放熱抑制

Fig.4 および Table.2 に加熱ローラの構成図とその仕様を示す。加熱されたベルトの内側にはベルトを保持する定着ローラが、外側にはニップを形成する加圧ローラが当接している。これらの当接部材には耐熱性が高く、弾性機能を有するシリコーンゴム層を設けることが一般的であるが、加熱されたベルトの熱エネルギーがシリコーンゴム層を介して周囲に拡散してしまう。そこでこれらの当接部材には断熱性を高めるためにシリコーンゴムを発泡させたスポンジ材料（以降シFig.3

リコーンスポンジ）を採用することで、ベルトからのFusing unit of bizhub C650/C550/C451

放熱を抑制し低電力にてベルトの温度を高温に維持で新規開発した定着装置は加熱源である IH コイルを加熱ローラ外部に設け、コイル周辺に発生する磁束を効率的に加熱ローラに向けて誘導するためのコアを配置した。加熱ローラは定着ローラの外周に被加熱部材となる定着ベルトを被せ、定着ローラがベルトを支持-2-きる構成とした。

表層

上述のように、本定着装置には昇温性能を向上させ弾性層定着ベルトる種々の方策を盛り込んでいる。しかしながら同時に

金属発熱層
弾性層
（シリコーンスポンジ）

定着ローラ

芯金

Fig.4

IH 熱源特有の課題や熱容量を小さくしたことによる不具合を克服しなければならなかった。以下にその課題と対応の方策を示す。

Details of the heating roller assembly
４．１
構成

定着ベルト
定着ローラ

表層
弾性層
金属発熱層
弾性層
芯金

材料
PFAチューブ
シリコーンゴムニッケル
シリコーンスポンジ
SUS

厚さ（もしくは外径）
30μｍ
200μｍ
40μｍ10ｍｍφ20Table.2 The specifications of the heating roller

発熱分布の均一化

本加熱方式は、ベルトと一定の距離に保持されたコイルに交流電流を流すことで交番磁界が発生し、この磁束の変化によりベルトの金属層にできる誘導電流によってジュール熱を発生する仕組みとなっている。したがってコイルから発生する磁束密度分布そのものにassemblyムラがあった場合、ベルトの発熱分布にも直接影響を３．４与えることになる。

供給電力の最大化

加熱方式に IH を採用することによるもう 1 つのメリットとして、供給電力を機械の使用状態に応じて常に最大にできるということがあげられる。一般的な定着熱源として広く利用されているハロゲンランプでは投入電力は固定もしくは限定された条件での切り替えしかできなかった。一箇所のコンセントから機械に供給できる電 力に は上限が あり （例えば 日本 国内では1500W）、定着熱源への供給電力は、そこから熱源以外のエレメントにて使用される電力の合計値を差し引いた値に設定しなければならない。高速機では、駆動などの熱源以外の必要電力も高くなる要素を含んでおり、定着としては、割り当てられた熱源への供給電力の範囲内では、昇温性能が低下するだけでなく、連続プリント時にはベルトを所定の温度に維持することができなくなり、定着強度を確保するのが困難であった。それに対し IH ではコイル電源の周波数を変更すること

コイルのベルト軸方向両端部では磁束がベルト端部より外側に広がることで磁束密度が低下し、ベルト両端部に温度ダレが発生する傾向があった。ベルト金属層の発熱分布をコントロールするためには、コイル/コア/ベルト等の部材に関連する数多くのパラメータが磁束の形成に、どのように影響するのかを把握することが必要である。しかしながら磁界そのものを正確に測定すること自体が困難である上に、関連するパラメータの全てを検証するには膨大な工数と時間が必要
で あ る 。 そ こ で コ イ ル か ら 発 生 す る 磁 束 を CAE（ComputerAidedEngineering）解析することによって、磁束の形成に大きく影響するパラメータの抽出を行った。
ベルト両端部における磁場の解析結果の一例 をFig.5 に、またこの時のベルト端部の発熱分布を Fig.6に示す。

により定着への供給電力をフレキシブルに変化させることができる。機械の使用状態に応じて、その時に使われていない電力を定着に割り振るように機械全体の電力をコントロールすることで、余剰電力を全て定着

メインコア
メインコイル磁束密度の高い領域

端部コア

メインコア
メインコイル磁束密度の高い領域に供給可能となり、昇温性能も連続プリント時の生産性も常に最大限に発揮させることができた。

加熱ローラ

４ 外部 IH 定着の課題

-3-

加熱ローラ

(a) Without a side core(b) With a side coreFig.5 Magnetic flux calculation around end side ofafter the completion of the warming up; comparison
between before and after the optimum design

the magnetising coil
このグラフから、最適化前にベルト両端温度が大きベルト端部の発熱状態く落ち込んでいたものが、ベルトの発熱分布を最適化

ベルト端部の発熱状態することによって、通紙領域全域においてほぼフラットな温度分布となったことが判る。
小小

発熱量

発熱量

大

非通紙部温度上昇の抑制

本定着装置では熱容量の小さい薄肉金属ベルトを直大(a) Without a side core

４．２(b) With a side coreFig. 6 Simulated heat generation distribution at

接加熱する構成となっている。そのため従来機のように、加熱ローラの芯金が剛性を保つために所定の肉厚を有しているものに比べて軸方向の熱移動量が小さく、

the end side of the belt

幅の狭い記録紙を連続通紙した場合、ベルト上の非通ベルトの両端部に対向する補助コア（以降端部コア）を設けることでベルトを貫通する磁束密度の高い領域が広がっており、その結果ベルト端部の発熱量が増加しているのが判る。このように、これまで検証することが困難であった磁束を CAE 解析によって視覚化したことで、短期間で磁束およびベルト発熱分布に大きく影響するパラメータを特定した。そして端部コアやその他、磁束に影響するパラメータをチューニングすることによって、ベルト両端の磁束密度を増加させ、ベルト軸方向の発熱分布の最適化を図った。Fig.7 は最紙領域が異常高温となり、ベルトおよび周辺部材の破損に至る。そこでベルト非通紙部の温度上昇を抑制する方策として、非通紙領域にメインコイルで発生する磁界を打ち消すために別のコイル（以降消磁コイル）を設け、ベルトの端部温度によってその回路を制御することとした。Fig.8 に消磁コイルによる発熱抑制の原理を示す。消磁コイル回路を形成することで、電磁誘導の作用による反発磁束が発生する。この反発磁束により定着ベルトの両端部の発熱を抑制することができる。
消磁コイル駆動により発生する反発磁束適化前後における、実際にベルト軸方向の温度分布を消磁コイル

メインコイル測定した結果である。

メインコイルにより発生する磁束240

ベルト表面温度［℃］210

温調温度180

加熱ローラ

150120発熱領域画像保証領域

90− ：最適化前− ：最適化後

60300-160-80080

Fig.8160（中央）

with the demagnetising coil

ベルト軸方向位置［mm］

Fig.7

A principle of the heating width control

Experimental result of temperature

さらに加圧ローラにアルミ製のローラ（以降均熱ロ

distribution in the axial direction of the belt-4-ーラ）を当接し、軸方向の熱移動を促進させることに

より、局所的な温度上昇を防ぐ構成とした。Fig.9a おcomparison between before and after the optimum

よび 9b に CAE 解析による最適化前後の非通紙部温度のdesign

計算結果を示す。ここでも CAE による電磁場解析および熱伝導解析を活用することで、実際の部品を試作することなく、加熱ローラの表面温度を予測し、短期間にて消磁コイルおよび均熱ローラに関するパラメータ

４．３耐久性の確保

本定着装置のニップ形成状態を CAE 解析した結果をFig.11 に示す。

最適化を行った。

加熱ローラ

加熱ローラ

定着ローラ

均熱ローラ

加圧ローラ

(a) Before optimization

Fig.9

定着ベルト

加圧ローラ

(b) After optimization

Simulated temperature distribution of the加圧ローラ

Fig.11 Fusing nip formation; simulation by the CAE

fusing devices at the border of the fed area and theanalysis

non‑fed area
Fig.10 に確認実験として実際に小サイズの用紙を連続通紙した時のベルト温度分布測定結果を示す。この結果から、消磁コイルおよび均熱ローラの設置/最適化を行うことによって、非通紙部の温度上昇は大幅に低減しており、同時に CAE による電磁場解析や熱伝導解析が効果的に活用できていることが判る。

ベルト表面温度［℃］300構成とした。

ることができる。一方シリコーンスポンジ材はその特温調温度性としてシリコーンゴムに比べて物理的強度が低く、− ：最適化前− ：最適化後小サイズ(A5)通紙幅

50-150-100-500

特にニップでの応力歪みが大きい定着ローラについて
は、その繰返し応力および熱負荷によってスポンジセ

50100150200（中央）ベルト軸方向位置［mm］

Fig.10

めにニップ部の形状は定着ローラ側を大きく歪ませたりベルトからの放熱が抑制され、昇温特性を向上させ1000-200定される。必要な定着強度と用紙分離性を確保するた断熱性の高いスポンジ材料を選定しており、これによ

200150

着ニップ部にて加熱溶融されることで、記録紙上に固前項で述べたように定着ローラおよび加圧ローラにベルト耐熱上限温度

250

定着装置に送り込まれた記録紙上のトナー画像は定ルの劣化が進行し耐久使用にしたがって初期性能を維持できない課題があった。
そこで定着ローラの弾性層として、従来にはない高Experimental result of temperature

distribution in the axial direction of the belt by機能を有するスポンジ材料を採用することで耐久によ

multiple print test of narrow‑sized paper;る定着機能の低下を防止した。今回採用したスポンジ材料は従来のものからスポンジのセル構成および形状を改良することで局部的に応力が集中することを防止-5-している。また同時に高い反発弾性を維持することにｂizhub C650 定着昇温完了
定着温調温度温度［℃］より、スポンジ内部でのエネルギーロスの低減を実現している。Fig.12 に耐久使用による定着ローラの反発弾性の変化を示す。

ｂizhub C450
定着昇温完了（従来機）
モノクロ45枚/分
カラー35枚/分

0

反発弾性（従来スポンジ初期比）

1.601.4306090120

時間［秒］

1.2
1

Fig.130.8
0.60.4

従来スポンジ0.2

新規スポンジ

搬送機能維持許容下限

Comparison of rising curve of heatingroller temperature between bizhub C450 and C650
５．２

省エネルギー

00Fig.12

200400耐久時間［ｈ］

600800

Fig.14 に bizhub

C650/C550/C451 シリーズおよび弊社従来機種の TEC 測定結果を示す。横軸には機械のTransition of rebound resilience of the

プリント速度（モノクロ）、縦軸が TEC 値を表しており、

fusing roller by an endurance test; comparisonbizhub

C650/C550/C451 シリーズのエネルギー消費

between the conventional sponge and the improved

量は従来機実績から予測するレベルのおよそ半分程度に抑えられている。

sponge
定着ローラとしてニップ部での繰り返し応力と熱負16000

bizhub C450
ＴＥＣ[Ｗｈ]荷を与え続けた状態において、従来スポンジはセル破壊およびスポンジ劣化が進行し反発弾性が低下していたのに対し、新規スポンジでは反発弾性が初期からほ従来機実績から予測した55〜65枚/分機のTEC値

12000

bizhub C250

8000

bizhub C451

4000

bizhub C550

bizhub C650

とんど変化すること無く、スポンジの耐久劣化が非常0に少ないことを示している。その結果、従来スポンジ

2030405060

70

プリント（Ｂｋ色）速度［枚/分］

では耐久によって通紙搬送性の低下や駆動トルクの増加等の機能不良が発生していたのに対し、新規スポン
ジでは長時間の使用においても機能低下がなく、定着

Fig.14Comparison of TEC (Typical ElectricityConsumption) value between estimation value by
conventional series and result of bizhub

ローラの耐久性向上および定着システムの高寿命化を

C650/C550/C451実現した。

５６

到達性能

５．１

まとめ

bizhub C650/C550/C451 シリーズの製品化にあたり、定着昇温時間

本定着装置における加熱ローラの昇温特性をFig.13 に示す。種々の方策を盛り込んだ結果、昇温性能は大幅に向上し、定着昇温時間は弊社従来機（bizhub

外部 IH 加熱方式を採用した定着装置を開発した。本定着装置には低熱容量化技術を中心に様々な新規技術を搭載しており、その開発過程においては CAE による電磁場解析や熱伝導解析を活用することによって、検証C450）の 1/3 以下に短縮している。

精度の向上および開発期間の短縮を図った。これにより、昇温性能は弊社従来機に比べて大きく向上し、本定着装置を搭載した bizhub C650/C550/C451 シリーズでは大幅な定着昇温時間の短縮とエネルギー消費量の低減を実現した。以上の結果、bizhub C650/C550 にお-6-80

いては、省エネルギー性を含めた商品性の高さを評価され、「平成１９年度省エネ大賞

資源エネルギー庁長官賞」を受賞した。

参考文献
1)

霜田光一，近角聰信: 電磁気学（1996）

2)

松本Japan

他：Journal of the Imaging Society of
Vol.45 No.6 p65‑70 (2006)-7-

禁無断転載2007 年度
ビジネス機器関連技術調査報告書(発行Ⅲ―３部)

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